Biofilm – RO

Biofilm – odwrócona osmoza

Biofilm na membranach odwróconej osmozy to zjawisko powszechne ale możliwe do kontrolowania za pomocą prostych, ekologicznych i ekonomicznych rozwiązań.

Optymalny sposób rozwiązania problemu biofoulingu

Zanieczyszczenie membrany odwróconej osmozy, to główna przeszkoda dla skutecznego działania układów filtracji sposobem odwróconej osmozy (RO). Problem wynika z gromadzenia się substancji na powierzchni membrany lub w porach membrany. Zanieczyszczenie membrany spowodowane jest zanieczyszczeniem mineralnym, organicznym oraz bezpośrednim zanieczyszczeniem biologicznym biofilmem (biofouling). Pierwsze dwa wiążą się z zarodkowaniem powierzchniowym i wytrącaniem soli mineralnych oraz adsorpcją rozpuszczonej materii organicznej, podczas gdy powstawanie biofilmu jest spowodowane odkładaniem się i wzrostem mikroorganizmów tworzących silnie przylegające struktury biologiczne.

Biofouling – proces, w którym organizmy kolonizują wszystkie formy zanurzonego podłoża – negatywnie wpływa na materiały i struktury, a nawet może zniszczyć instalacje stworzone przez człowieka. Takie mikroorganizmy, głównie bakterie, grzyby i okrzemki, gwałtownie niszczą membrany RO i powodują nagły wzrost różnicy ciśnień przez ograniczenie przepływu wody, co ostatecznie wpływa na proces usuwania soli. [i]

Powstawanie biofilmu jest procesem nieodwracalnym, który trwale uszkadza powierzchnię membrany RO, wymuszając okresowe czyszczenie chemiczne w celu uwolnienia membrany z nagromadzonych osadów, co jednak zmniejsza żywotność membrany RO i stanowi dużą część kosztów eksploatacji instalacji odsalania.[ii]

Biofilm na membranach odwróconej osmozy

Istnieje wiele sposobów stosowanych do rozwiązania problemu powstawania biofilmu na membranach RO. Wszystkie związane są z dezynfekcją i zapobieganiem namnażania mikroorganizmów.

Idealny środek dezynfekujący powinien być niedrogi, nieszkodliwy, ale wysoce skuteczny w eliminacji drobnoustrojów bez wpływu na wydajność odsalania i materiał membran.

Obecnie stosuje się wiele metod dezynfekcji w uzdatnianiu wody za pomocą chloru i jego pochodnych, ozonowania, promieniowania ultrafioletowego (UV), wprowadzanie jonów srebra i miedzi, dezynfekcja fotokatalityczna lub stosowanie modulowanego sygnału elektrycznego o wysokiej częstotliwości (Hydropath).

Najczęściej stosowane membrany RO w przemysłowych zastosowaniach procesu odsalania wykonane są z wielowarstwowych kompozytów cienkowarstwowych PA (TFC).

Chlor i związki chloru.

Aby zapobiec biofoulingowi membran RO, chlorowanie było dotychczas powszechnie stosowane do ochrony instalacji RO. „Sprzedawcy” tego rozwiązania sugerowali, że jest łatwe i niedrogie. Pomijając fakt obniżania trwałości membran. Membrany PA mają jednak niską tolerancję na chlor. Wolne jony chloru uszkadzają membranę, powodując gwałtowny wzrost strumienia wody i zmniejszenie retencji soli.  Chociaż chlorowanie może zapobiegać do pewnego stopnia powstawaniu biofilmu na membranach RO, to ma kilka poważnych wad. Wiele substancji ubocznych powstałych podczas dezynfekcji chlorem ma działanie rakotwórcze stwarzając poważne zagrożenie dla zdrowia ludzkiego. Dodatkowo, chlorowanie nie jest skuteczne przeciwko wszystkim typom drobnoustrojów. Czynnikiem krytycznym przy tym rozwiązaniu jest fakt, że aktywne związki chloru atakują sieć polimerów membran RO, co powoduje, że z czasem stają się one słabsze, co zwiększa koszty operacyjne.

Dezynfekcja za pomocą obróbki UV i / lub ozonu jako realnej alternatywy dla chlorowania była szeroko badana, ponieważ nie tworzy szkodliwych produktów ubocznych i jest skuteczna wobec większości drobnoustrojów obecnych w wodzie. Jednakże techniki te mają swoje własne ograniczenia, takie jak nieskuteczność w stosunku do zawieszonych ciał stałych, są technikami energochłonnym i ulegają korozji.

Dezynfekcja za pomocą jonów srebra i miedzi.

Wadą dezynfekcji srebra i miedzi jest koszt procesu.[iii] Dodatkowo nawet niewielkie ilości srebra, zwłaszcza w postaci nanocząstek, może przedostawać się do organizmu ludzi, powodując poważne problemy zdrowotne (uszkodzenie wątroby i nerek). Skuteczność procesu dezynfekcji srebrem zależy również od poziomu chloru i azotanów obecnych w wodzie. Srebro silnie reaguje z tymi anionami, tworząc związki srebra w wodzie, znacznie zmniejszając skuteczność dezynfekcji.

Techniki takie jak fotokataliza dały obiecujące wyniki w zakresie dezynfekcji, ponieważ są skutecznie skuteczne przeciwko organicznym zanieczyszczeniom, a także mikrobom i nie wytwarzają szkodliwych produktów ubocznych. Wykorzystując naturalne światło słoneczne, nanomateriały te mogą znacznie zmniejszyć poziom zanieczyszczenia w wodzie ze względu na ich wysoką reaktywność, a tym samym mogą zapobiec biofoulingowi membran RO. Jednak ich zastosowania są w większości ograniczone do skali laboratoryjnej.

Skuteczna alternatywa dezynfekcji chemicznej.

HydroFLOW INDUSTRIAL z technologią Hydropath

Rozwiązaniem, które proponuje firma Hydropath Technology Ltd. jest zabezpieczenie membran opracowaną przez tę firmę technologią wykorzystującą sygnał elektryczny wysokiej częstotliwości.

To rozwiązanie nie posiada wad innych technologii stosowanych do zabezpieczania membran odwróconej osmozy. Jest jednocześnie skuteczne w znacznie szerszym zakresie.

Chroni membrany RO wykonane z dowolnego materiału przed osadami mineralnymi (scaling) i biologicznymi (biofouling).

Technologia jest niechemiczna. Nie wpływa na parametry wody oraz nie ma negatywnego wpływu na materiały, z których wykonywane są membrany osmotyczne.

Sygnał elektryczny o częstotliwości około 150 kHz, tworząc w oparciu o zdysocjowane jony minerałów zarodki krystalizacji w wodzie, trwale zabezpiecza powierzchnie membrany przed powstawaniem twardych osadów mineralnych na powierzchniach membran. Sygnał elektryczny inicjuje powstawanie mikrokryształów minerałów (10-50 µm) bezpośrednio w cieczy (krystalizacja homogeniczna).

Dodatkowy efekt działania sygnału elektrycznego związany jest  z przekazaniem niewielkiego ładunku elektrycznego do komórek mikroorganizmów zawieszonych w wodzie lub już kolonizujących powierzchnie otoczone wodą. Pojawia się zjawisko, w którym komórka mikroorganizmu posiadająca niewielki ładunek elektryczny, otaczana jest warstewką cząsteczek czystej wody. Taki efekt związany z potencjałem elektrycznym, wywołuje powstawanie sił osmotycznych na powierzchni ścian komórkowych. Czysta woda wnika do wnętrza komórki w celu wyrównania stężeń cieczy. Powoduje to gwałtowny wzrost objętości komórki i uszkodzenie błony komórkowej. Konsekwencją jest trwałe wyeliminowanie mikroorganizmu.

Efekty technologii Hydropath zastosowanej w RO

• zwiększenie trwałości membran osmotycznych o około 30 %.
• obniżenie kosztów eksploatacji poprzez wyeliminowanie wstępnej obróbki wody przed stacją RO
• utrzymywanie wysokiej sprawności RO

Koszty eksploatacyjne technologii Hydropath są pomijalnie niskie. Urządzenia emitujące sygnał elektryczny nie wymagają serwisowania, przeglądów i stałego dozoru.

Zastosowania przemysłowe i badania laboratoryjne wykazują wysoką skuteczność technologii i jej opłacalność. Zwrot z inwestycji w urządzenia HydroFLOW z technologią Hydropath, zależy od kilku czynników (jakość wody surowej, wydajność instalacji – przepływ, koszty stosowanych śr. chemicznych…)  ale w przeprowadzonych wdrożeniach przemysłowych nie był dłuższy niż kilkanaście miesięcy.

Przykład zastosowania urządzenia HydroFLOW w stacji RO o wydajności obliczeniowej 25 ton wody /h która spadła do efektywnej wydajności 12 ton po chemicznym czyszczeniu membran.

Po pierwszym dniu wydajność wzrosła o 50% a po 15 dniach osiągnęła 96% wydajności projektowanej. Przewodność uległa poprawie trzykrotnie.

Wykresy przedstawiają efekty działania membrany osmotycznej po zastosowaniu technologii Hydropath.

Biofilm na membranach odwróconej osmozy

Poprawa efektywności działania membran RO przy zastosowaniu technologii Hydropath.

• wydajność z 12t/h do 24t/h – 100% (odpowiada to zwiększeniu wydajności z 103.680 t/rok do 207.360 t/rok)
• roczna oszczędność zużycia energii dostarczanej do pomp – 172.800 kWh
• oszczędność na zrzucie koncentratu z 17t/h do 15t/h – ścieki
• jakość – obniżenie przewodności 3 krotne

Opis technologii oraz przykłady wdrożeń dostępne są na stronie www.hydropath.pl

Opracowanie na podstawie materiałów własnych www.hydropath.pl oraz pochodzących z portalu www.nature.com

[i] Paul, D. The history of industrial water recycling to achieve zero liquid discharge. Natl. Water Supply Improv. Assoc. 2, 21–50 (1984)
[ii] Ridgway, H. F. Biological fouling of separation membranes used in water treatment applications. (AWWA Research Foundation, Denver, Colorado, 2003)
[iii] Roy, P. K., Kumar, D., Ghosh, M. & Majumder, A. Disinfection of water by various techniques–comparison based on experimental investigations. Desalin. Water Treat. 57, 28141–28150 (2016).